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UW500集散控制系統在高分子材料中的應用

行業方案

一、工藝簡介

高分子材料也稱為聚合物材料,是以高分子化合物為基體,再配有其他添加劑(助劑)所構成的材料。本文以聚丙烯酸酯類PVC抗沖改性劑ACR為例,來描述UW500 DCS在聚合反應控制中的應用。

ACR高分子加工助劑是PVC生産中的主要改良劑,用以改良軟、硬質PVC的加工性能。降低PVC的熔融溫度,縮短熔融時間,提高生産效率,獲得結構均勻、表面光澤的高質量PVC産品。其生産工藝如圖1所示:


圖1 ACR工藝流程

ACR是丙烯酸酯共聚物,屬于“核-殼”結構共聚物。它的制備是以各類丙烯酸酯以及交聯劑、乳化劑、引發劑、分子量調節劑等原料,經多次乳液聚合而制得的白色微細無毒、無腐蝕性粉末。

主要生産裝置包括分料/加料系統、聚合釜溫度控制系統、引發劑和其它助劑系統、攪拌釜、噴霧幹燥器、冷凝器和共用系統等,該産品的技術關鍵主要在于工藝配方和過程控制方面。


二、工藝控制難點

ACR産品規格繁多,每種規格的配方由十幾種物料參數及幾十種可調參數組成,因此批量配方系統十分複雜。要求控制系統具有柔性設計,能夠适應多種産品工藝的變化。整個生産裝置由若幹獨立的系統所組成,在批量生産過程中,批量主程序要對各獨立的系統資源和設備進行統籌,并按照順序執行各單元過程;

采用全密閉式自動分料、自動加料控制,要求實現集中加料、分步加料和配方加料等多種投料方式,并且對加料的精度要求極高;

聚合釜反應過程冗長,大緻分為三個階段:乳膠粒生成階段、勻速聚合階段和降速階段,共包含28個步驟(如圖2所示)。溫度的控制是通過調節半管夾套和内冷管進水流量的大小來穩定控制釜溫度的變化,溫度曲線複雜,每個階段的溫度控制要求精确,響應及時,降溫的時候要實現勻速降溫。

圖2 聚合反應溫度控制過程


三、控制方案——全自動批量控制

批量(Batch)生産過程的特點是可以使用同一套生産裝置,生産多個品種的産品,這在化工廠、制藥廠、食品飲料廠中非常普遍。随着社會對多品種、小批量生産需求的不斷提高,以及對産品生産的可追溯性要求和質量保證要求的提高,使得批量生産控制系統的重要性越來越突出。批量生産系統可以非常靈活地為每個批次的産品分配一個唯一的标識,通過該唯一的标識實現工廠生産的每批産品具有可追溯性,滿足質量保證的要求。

配方(Recipe)由設備資源的操作流程和步驟組成,它詳細記錄了每個批次産品是如何生産的。

一個批量控制系統需要具備多種功能和接口,例如,批量控制系統需要與控制設備進行通信,需要為生産操作人員提供監視批量生産過程的畫面接口,為工藝工程師提供配方生成器,還要有數據庫以記錄生産過程的完整信息,供事後分析。

鑒于上述ACR極其複雜的生産工藝,山東某知名高分子材料公司在工廠中引入了符合S88标準的UWinBatch軟件作為批次控制及自控解決方案。

配方管理界面如圖3所示,在這裡可以添加所需的産品配方,主要涉及四種操作:

創建一個批次,用來決策主要的生産活動,如生産某種規格的ACR産品,批次是工藝控制結構中的最高層次,它由單元工藝和/或操作和/或階段來完成它的任務;

完成單元裝置的定義,單元裝置工藝用來定義發生在一個裝置單元内的一組相關操作,如聚合反應釜就是一個單元工藝。一個工藝普遍有多個單元工藝分别在各自的單元内同時執行;

添加操作,操作是生産程序中的一個步驟,通過點擊界面中的“+”可添加步驟,如投料、控料、升溫、保溫、排水、待反等就是一些常見的操作步驟;

添加階段,一組有序的階段組成一個步驟,同樣可通過點擊界面中的“+”可添加階段,階段是一個次處理任務。階段的執行結果可能是對基本控制的命令、對其它階段的命令以及/或者數據集,如手動、等待、腳本、設備、跳轉等;

圖3  配方管理器

四、溫度控制方案

聚合物産品最關鍵的質量指标是聚合度,它與引發劑用量和轉化率無關,而與聚合溫度關系極大。溫度高,鍊引發快、聚合中心多、鍊轉移快、鍊終止也快,從而反應速度加快。但生成的聚合物分子量小,聚合度小,質量差。因此必須嚴格控制聚合反應溫度,以求得分子量分布均勻的産品。一般要求聚合釜溫度波動≤±(0.2~0.5)℃。
我們将聚合反應溫度分為四個階段,第一階段是升溫,将聚合釜内的物料溫度升至工藝要求的反應溫度控制點,這一階段的關鍵點是以最快的速度升至要求的反應溫度,減小聚合度的散布;第二階段是過渡,将夾套内的熱水快速置換為循環水,為吸收聚合反應放熱做準備,這一過程的關鍵點是如何抓住拐點溫度,關閉蒸汽閥,防止反應滞後引起溫度波動,實現升溫吸熱和聚合放熱的平滑過渡;第三階段是恒溫反應,要求平穩地轉移聚合過程中所釋放的反應熱,保證聚合溫度的控制精度,但聚合熱的釋放是不均勻的,如何自适應控制是問題的關鍵所在。第四階段是反應結束,當轉化率就達到80%~85%時,由于單體缺乏,反應速度迅速下降,加入終止劑終止反應。如何達到最高的轉化率而又保證反應時間最短,也是問題的關鍵。

聚合釜溫度控制流程示意圖如圖4所示:

圖4 聚合釜溫度控制流程示意圖

4.1 升溫階段

通過夾套蒸汽加熱升溫将聚合釜内的物料溫度升至工藝要求的反應溫度,關鍵是何時關閉蒸汽閥。如果關閉得過早,夾套溫度下降太快,勢必導緻釜溫下降過快,導緻釜内物料無法引發聚合反應,反應時間延長,造成“二次升溫”或“焖鍋”現象;反之會引起夾套溫度下降太慢,釜溫升得太高,超過設定溫度,導緻反應溫度的波動。兩者都會影響産品質量。對于此問題,我們采用規則控制方法來解決。在升溫設定溫度與反應釜内溫度之差大于N℃時(N>0),采用關閉冷水調節閥、全開蒸汽閥的方法。當釜溫距升溫設定小于等于N℃時,把釜内溫度變化率模糊化,各分為高(加大)、中(正常)、低(偏低)三種狀态。根據模糊化的變化率,可以得到對應的蒸汽閥開度,從而得到相關的控制參數的數據。控制效果如圖6所示:

圖5 升溫控制效果

4.2 過渡階段

這個階段釜内物料剛開始引發聚合反應,這時的聚合反應還很不穩定,反應放熱也比較少,而且放熱也不均勻,這時通過循環水調節閥置換多餘的熱量時有可能出現兩種情況:

(1)冷水加得太多,置換出來的人太多,導緻釜溫遲遲不能達到設定的反應溫度,造成“欠調”或“悶鍋”現象,延長反應時間,如圖6的曲線C所示;

(2)冷水加的太少,夾套溫度偏高,抑制不住釜内溫度上升的趨勢,造成“過沖”現象,導緻保溫段釜内溫度波動太大,需要長時間的控制調整,如圖7的曲線A所示;
以上兩種情況将直接影響到聚合釜的生産效率和産品質量,為了将聚合釜内溫度上升速率控制在一定範圍内,迅速平穩地切入到保溫階段,采用過渡最優控制算法來調節循環水閥門的開度,計算公式如下:


MV=(t1,t2,t3,x1,x2)


式中:MV——夾套溫度調節器的輸出;

              t1——夾套溫度的測量值;
              t2——過渡過程結束時夾套溫度的設定值(操作人員可修改);
              t3——升溫結束時循環水溫度測量值;
              x1——冷水平衡系數(操作人員可修改);
              x2——與釜及閥門相關的預估參數(程序中預制,操作人員不可修改)


通過上述手段對聚合釜溫度進行控制,可以很好地避免前述兩種不良現象的發生,是聚合反應平穩地進行,并最大限度地減少過渡時間,優化生産他、提高效率。

圖6 過渡溫度控制效果

4.3 恒反階段

釜内溫度達到聚合設定溫度以後,一直到出料為恒溫反應階段。這一階段要求平穩地轉移聚合反應過程中所釋放的反應熱,将釜内溫度穩定在設定溫度附近,要求波動小于±(0.2~0.5)℃,采用邏輯預測串級控制策略,從結構上看類似于常規串級調節系統,串級分程控制,以釜溫為主參數、夾套水溫度為副參數進行分程控制,采用以釜内溫度為主環,夾套溫度為副環串級回路。

4.4 反應結束階段

當反應結束時,釜壓降到某一設定值,這時可按“反應結束”按鈕,通過順控程序将各個閥門、釜溫和夾套溫度調節器的狀态恢複到初始狀态。

圖8  溫度控制面闆

圖9 反應釜溫度控制算法

五、運行效果

UW500集散控制系統在該項目上投運以來的生産運行表明,配方管理使整個生産過程變得簡單易行,提高了30%的生産效率,并實現全自動化控制,減少人為出錯,提高産品質量。并通過規則控制、單回路—串級切換控制、邏輯預測串級控制、随動控制等多種控制方案對聚合釜的溫度進行了控制,取得了令人滿意的結果,如恒反階段溫度波動控制在±0.2℃,升溫速度快,升溫吸熱和聚合放熱平滑過渡等。

 

圖8 聚合釜組态畫面


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